空间轨控发动机高效燃烧室仿真与试验研究

发布时间：2017-08-10 14:26

  本文关键词：空间轨控发动机高效燃烧室仿真与试验研究

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【摘要】：随着新一代大容量长寿命卫星和空间机动飞行器的发展,航天器对空间轨控发动机的性能提出了更高要求。轨控发动机性能提高主要涉及喷注器、燃烧室和喷管三个组件。对于高性能液体轨控发动机,边区冷却液膜在燃烧室中的低效燃烧已成为导致发动机比冲性能损失的主要影响因素,提高边区冷却液膜利用率会导致燃烧室温度的升高,而燃烧室温度的上升对耐高温材料提出了更高的要求,因此涉及边区冷却液膜热过程和新型高温材料两方面的高效燃烧室技术已成为高性能空间轨控发动机性能提高的瓶颈技术。燃烧室边区冷却液膜的处理、结构造型的设计以及耐高温材料的研发是高效燃烧室的关键技术问题。其中液膜冷却设计的目标是在保证燃烧室工作温度满足发动机性能要求的同时,也适应高温材料的使用要求;燃烧室构型优化设计目标是强化冷却液膜参与反应的程度,将冷却液膜低效燃烧导致的发动机性能损失降至最低;耐高温材料决定了燃烧室可靠工作的温度水平,也是液膜冷却设计和燃烧室构型设计实现的基础,其研究目标是在更高温度条件下长时间保持高强度、抗氧化、耐冲刷的性能。本文共分为七章,围绕高效燃烧室研制的三项关键技术,结合仿真计算和实验分析展开高效燃烧室的液膜冷却研究、构型设计和耐高温材料研究。简述如下:针对高效燃烧室液膜冷却过程,开展了自由射流撞壁的液膜现象仿真和试验研究,分析了射流喷嘴压降、喷嘴孔径、射流入射角、壁面曲率半径和温度对液膜流动及厚度分布特性的影响,并对射流撞壁形成液膜过程中的液滴溅射现象、水跃现象和沸腾传热现象进行了仿真模拟和理论分析。采用相同的计算模型和边界条件,对直圆柱燃烧室、扩张型燃烧室和二次燃烧装置燃烧室发动机开展液膜冷却和推进剂喷雾燃烧仿真,计算结果表明增加燃烧室特征长度能够提高发动机燃烧效率,但同时发动机工作温度也显著提高。对于高性能空间轨控发动机采取合适的燃烧室特征长度,同时结合多种角度冷却射流设计,能够在提升性能的同时降低发动机最高工作温度。扩张型结构不能显著增强燃气混合,导致扩张型设计与基准构型设计相比,提高燃烧效率的效果不明显。二次燃烧装置将液膜卷入主流使其充分蒸发、混合并参与燃烧,得到了较高的燃烧效率,与此同时会较大幅度地提高扰流环本身与燃烧室壁面的温度,对发动机长时间可靠工作不利。在燃烧室材料使用温度受限的条件下,则直圆柱构型燃烧室综合性能较优。在燃烧室构型仿真分析的基础上,对空间轨控发动机燃烧室结构进行了优化设计,开展不同构型燃烧室的热试车验证,结果表明:增加直圆柱构型燃烧室的特征长度,优化边区冷却设计,发动机效率提高的同时身部温度升高与新型材料耐受温度可以有效折衷解决;采用突扩燃烧室构型方案和二次燃烧装置构型燃烧室方案能够提高发动机的燃烧效率,但同时导致发动机身部温度偏高,国内耐高温材料使用性能的稳定性无法满足工程要求,该方案目前难以实现应用。热试车结果与仿真计算结果基本一致,说明仿真计算中采用VOF模型对液膜进行仿真是有效的。针对高效燃烧室的需求,以CVD铼/铱材料、钽钨合金和涂层材料、C/SiC复合材料作为高效燃烧室用耐高温材料的研究方向,并分别完成了燃烧室制备研究和热试车验证,结果表明CVD铼/铱材料和C/SiC复合材料工程应用还需继续开展长寿命研究,其中铼/铱材料还需解决低温端铱涂层保护等问题,C/SiC复合材料需从复合材料基体改性和高温抗氧化涂层等方面开展攻关研究,以进一步提高复合材料的高温长时间工作能力。钽钨涂层通过了3600s长稳态热试车考核验证,可用作高效燃烧室的材料,后续还需在提高涂层的热震性能方面开展深入研究,提高空间轨控发动机工程应用的可靠性。在燃烧室构型仿真、试验、设计优化研究和耐高温材料研究基础上,总结了高效燃烧室的设计方法,确定了高效燃烧室技术方案,完成高性能空间轨控发动机集成设计。燃烧室采用合适特征长度的直圆柱方案,结合两种角度的边区冷却液膜设计,发动机高空模拟热试车燃烧室最高温度控制在1870K左右,真空比冲达到了323.6s,顺利通过长程热试车考核,高效燃烧室技术成功得到了试验验证。
【关键词】：空间轨控发动机 高效燃烧室 液膜冷却 燃烧室构型 耐高温材料
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V430
【目录】：

• 摘要14-16
• ABSTRACT16-18
• 第一章 绪论18-38
• 1.1 高效燃烧室的研究背景18-23
• 1.1.1 卫星对轨控发动机的性能要求18-19
• 1.1.2 空间轨控发动机的技术发展19-21
• 1.1.3 高效燃烧室研究的目的和意义21-23
• 1.2 高效燃烧室的研究现状23-35
• 1.2.1 高效燃烧室实现途径23-24
• 1.2.2 高效燃烧室液膜冷却过程研究24-26
• 1.2.3 高效燃烧室构型研究26-29
• 1.2.4 高效燃烧室材料研究29-30
• 1.2.5 难熔金属材料体系研究30-32
• 1.2.6 高性能陶瓷材料体系32-35
• 1.3 本文的主要思想和研究内容35-38
• 1.3.1 本文的主要思想35-36
• 1.3.2 本文的研究内容36-38
• 第二章 高效燃烧室液膜冷却过程研究38-79
• 2.1 空间轨控发动机液膜冷却过程38-40
• 2.2 冷却液膜的试验研究方法40-45
• 2.2.1 液膜测量系统设计40-43
• 2.2.2 液膜厚度计算方法43-45
• 2.2.3 试验工况45
• 2.3 试验结果与分析45-58
• 2.3.1 标准试验工况45-47
• 2.3.2 射流入射角对液膜的影响47-49
• 2.3.3 喷嘴压降对液膜的影响49-50
• 2.3.4 喷嘴孔径对液膜的影响50-52
• 2.3.5 壁面曲率半径对液膜的影响52-54
• 2.3.6 壁面温度对液膜形态的影响54-58
• 2.4 冷却液膜的理论分析58-77
• 2.4.1 冷却液膜溅射形态研究58-61
• 2.4.2 冷却液膜水跃的简化分析61-68
• 2.4.3 冷却液膜的传热分析68-71
• 2.4.4 射流液膜的仿真分析71-77
• 2.5 小结77-79
• 第三章 燃烧室构型优化仿真研究79-126
• 3.1 喷雾燃烧计算方法79-89
• 3.1.1 基于Euler-Lagrange法的离散相模型80-85
• 3.1.2 基于Euler-Euler法的VOF模型85-87
• 3.1.3 物性参数87-89
• 3.2 仿真计算对象和边界条件89-95
• 3.2.1 发动机燃烧室的几何构型89-90
• 3.2.2 计算模型和工况90-94
• 3.2.3 边界条件94-95
• 3.3 特征长度对燃烧室性能的影响95-102
• 3.3.1 基准型燃烧室网格无关性验证与仿真计算结果95-98
• 3.3.2 特征长度对温度场的影响98-99
• 3.3.3 特征长度对液相体积分数的影响99-100
• 3.3.4 特征长度对MMH浓度场分布的影响100-101
• 3.3.5 特征长度对壁面温度的影响101-102
• 3.3.6 特征长度对发动机主要参数的影响102
• 3.4 突扩构型对燃烧室性能的影响102-113
• 3.4.1 扩张台阶高度H的影响102-108
• 3.4.2 扩张台阶长度L的影响108-113
• 3.5 二次燃烧装置构型对燃烧室性能的影响113-123
• 3.5.1 二次燃烧装置高度H的影响113-118
• 3.5.2 二次燃烧装置长度L的影响118-123
• 3.6 燃烧室构型影响对比分析123-124
• 3.7 小结124-126
• 第四章 不同构型燃烧室燃烧性能的试验研究126-139
• 4.1 试验方案126-127
• 4.2 直圆柱燃烧室试验研究127-132
• 4.2.1 直圆柱燃烧室热试方案127
• 4.2.2 直圆柱燃烧室方案试验127-132
• 4.3 突扩燃烧室试验研究132-134
• 4.3.1 突扩燃烧室方案设计132-133
• 4.3.2 突扩燃烧室方案试验133-134
• 4.4 二次燃烧装置燃烧室试验研究134-138
• 4.4.1 二次燃烧装置方案设计134-135
• 4.4.2 二次燃烧装置方案试验135-138
• 4.5 小结138-139
• 第五章 高效燃烧室材料应用研究139-150
• 5.1 高效燃烧室材料的需求和评价方法139-141
• 5.1.1 高效燃烧室材料的需求139-140
• 5.1.2 高效燃烧室材料的评价方法140-141
• 5.2 高效燃烧室喷管的连接和热试车考核141-149
• 5.2.1 铼/铱材料喷管的连接和考核141-146
• 5.2.2 钽十钨合金喷管的连接和考核146-147
• 5.2.3 复合材料喷管的连接和考核147-149
• 5.3 小结149-150
• 第六章 高效燃烧室设计方法研究和验证150-170
• 6.1 高效燃烧室的设计方法研究150-159
• 6.1.1 燃烧室材料选择150-153
• 6.1.2 燃烧室冷却液膜设计153-156
• 6.1.3 燃烧室构型设计156-158
• 6.1.4 高效燃烧室的设计结果158-159
• 6.2 高效燃烧室试验验证159-168
• 6.2.1 高空模拟热试车系统159-160
• 6.2.2 高效燃烧室应用考核160-167
• 6.2.3 有效性验证分析167-168
• 6.3 小结168-170
• 结束语170-173
• 致谢173-174
• 参考文献174-186
• 作者在学期间取得的学术成果186

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 闫联生;李贺军;崔红;张晓虎;;超高温抗氧化复合材料研究进展[J];材料导报;2004年12期

2 张立同 ,成来飞 ,徐永东;新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展[J];航空制造技术;2003年01期

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本文编号：651205